JPH0523079B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野） 本発明は多層セラミツク基板、特に窒化チタン
を導体として用いる高熱伝導多層セラミツク基板
の製造方法に関するものである。 （従来技術とその問題点） 半導体工業の飛躍的進展によつてIC，LSIが産
業用、民生用と幅広く使用されるようになつてき
ており、電子装置の小型・高密度化および高性能
化が進められている。 特に集積密度の高い、高速作動のLSIの実装用
基板としては、高密度化が必須であり多層セラミ
ツク基板が注目されている。この多層セラミツク
基板は、直接LSIを実装することができ、また多
層に微細な配線を施すことが可能である。 一般にセラミツク基板の材料としては、主にア
ルミナが使用されているが、近年電子装置は一段
と小型化され、回路の高密度化が要求され、基板
の単位面積当りの素子や回路素子の集積度がます
ます高くなつている。一方LSIチツプにおいて
は、高速作動を行なうに従いチツプから発生する
熱が多量になつてくる傾向にある。この結果、基
板の発熱が大幅に増加し、アルミナ基板では熱の
放散が十分行なえず、基板温度が上昇することに
よりLSIチツプおよび実装素子に悪影響をおよぼ
すという問題が生じている。そのため、アルミナ
基板より熱伝導率が大きく熱の放散性に優れた絶
縁基板が必要になつてきた。 そこで開発されたのが炭化ケイ素を主成分とし
たセラミツク基板であり熱放散性に対して優れた
特性をもつている。炭化ケイ素はそれ自体電気的
には半導体に属し、比抵抗が１〜10Ω・cm程度で
電気絶縁性が悪いため、絶縁基板として用いるに
は問題がある。また炭化ケイ素は融点が高く非常
に焼結しにくいので通常焼結に際しては少量の焼
結添加剤を添加し、高圧で加圧するいわゆるホツ
トプレス法により作られている。この焼結添加剤
として酸化ベリリウムや窒化ホウ素を用いると焼
結効果だけでなく電気絶縁性に対しても有効で、
炭化ケイ素主成分の焼結基板の比抵抗が10¹⁰Ωcm
以上となる。しかしLSI等の実装基板において、
重要な要因の１つである誘電率におては1MHzの
周波数で40とかなり高く、添加剤を加えた絶縁性
も、電圧が高くなると粒子界面での絶縁性が急激
に低下するため耐電圧に対しても問題がある。 またプロセス的観点からしてホツトプレス法を
適用しなければならず、装置が大がかりになるば
かりでなく、基板の形状も大面積化は困難であ
り、表面平滑性に対しても問題が多い。 一方高密度化に対して期待されている実装基板
として多層セラミツク基板がある。これはセラミ
ツクグリーンシートを用いたもので基板内に層状
に各種導体パターンが形成されており、層間をス
ルーホールを介して電気的に接続されているもの
である。該多層セラミツク基板の材料としては、
アルミナ、ガラスセラミツク等が現在開発されて
いるが、ホツトプレス法を用いる炭化ケイ素系材
料ではプロセス的に極めて困難である。 一般に高密度実装基板として具備すべき主な性
質としては(1)電気特性においては誘電率が低く、
誘電損失が小さく、また電気絶縁性に優れている
こと、(2)機械的強度が十分であること、(3)熱伝導
性が高いこと、(4)熱膨張系数がシリコンチツプの
それに近いこと、および(5)表面平滑性が優れてい
ること、(6)高密度化が容易であること等が必要で
ある。 これらの基板性質全般に対して前述の各種セラ
ミツク基板は、決して十分なものであるとはいえ
ない。 本発明者らは、これらの具備すべき基板性質を
留意しながら、特に高熱伝導性および多層高密度
化に着目して、常圧法により焼結可能な窒化アル
ミニウム系粉末を用い、高温で焼結できる導体と
して窒化チタンを用いた高熱伝導多層セラミツク
配線基板の製造方法の発明に至つた。 （発明の目的） 本発明は、前述した従来の実装基板の欠点を除
去せしめて、熱伝導性の優れた高密度な高熱伝導
多層セラミツク配線基板を得るための製造方法を
提供することにある。 （発明の構成） 本発明によれば窒化アルミニウム粉末と焼結添
加剤とからなる混合粉末と、有機バインダーおよ
び有機溶剤との混合物からなるグリーンシートに
窒化チタンを主成分とするペーストを用いて導体
層およびスルーホール中の導体埋め込みを行なう
工程と、導体形成された各グリーンシートを積層
熱圧着する工程と、非酸化性雰囲気で脱バインダ
ーおよび焼成を行なう工程とを備えたことを特徴
とする高熱伝導多層セラミツク基板の製造方法が
得られる。 （構成の詳細な説明） 本発明は、上述の構成をとることにより従来技
術の問題点を解決した。 まず多層セラミツク基板を構成する絶縁セラミ
ツク材料として、熱伝導性の高い窒化アルミニウ
ムを用い、焼結性を高めるために焼結添加剤を加
えた。この材料は焼成後窒化アルミニウム多結晶
の緻密な構造体を形成する。 有機バインダー等と混合し泥奬化する工程にお
いては、非酸化性雰囲気下で脱バインダーが相当
に起こるように非酸化性雰囲気下で分解しやすい
有機物を適用した。製膜工程では、薄く・厚みの
均質なグリーンシートを形成する。 次に層間導通をもたせるスルーホールの形成工
程では、基本的には機械的な方法により極めて微
細な貫通孔を形成し、導体形成は、電源層、グラ
ンド層および微細な信号線等の多数の導体層を形
成するとともにスルーホールへの導体埋め込みも
行なう。 積層熱圧着工程では、高精度に微細パターンを
積み重ね一体化した生積層基板を得ることが出き
る。該生積層基板を非酸化雰囲気で有機物を適度
に除去したのち高温で焼きかためる。 このようにして製造された高熱伝導多層セラミ
ツク基板においては、窒化アルミニウムで構成さ
れているセラミツク層に、複数の電源層、グラン
ド層および微細な信号線等が形成され、これらの
導体層をセラミツク層中に設けたスルーホールを
介して電気的に接続されている構造をとつてい
る。 したがつて実装基板の配線密度が非常に高めら
れるとともに、LSI等の素子から発生する熱を、
効率的に外部に放散することが可能となる。 （実施例） 以下本発明の実施例について図面を参照して詳
細に説明する。 まず高純度の窒化アルミニウム微粉末と焼結添
加剤の粉末を秤量する。ここで用いる焼結添加剤
としてはCa，Sr，Ba，Na，Ｋ，Rb，Cs，Cu，
Ag，Mg，Cd，Hg，Zn，Al，Ce等のアセチリ
ド化合物および酸化物の少なくとも一種以上から
なつており、焼結添加剤の量は0.1wt％〜10wt％
の範囲で秤量した。 この秤量した粉末をボールミルにより有機溶剤
を用い湿式混合した。この十分に混合した粉末
と、ポリメタアクリレート系、ポリアクリレート
系、ポリカプロラクトン系、ポリビニルブチラー
ル系等の有機バインダーと有機溶剤とともに攪拌
機例えばホモミキサー等で混合し泥奬化した。こ
の時の泥奬の粘度は3000〜7000cpの範囲が適当
である。粘度が1000cp以下であれば製膜工程で
有機フイルム上で表面張力によりはじきが生じ、
10000cp以上であれば、泥奬中に含まれる異物等
を濾し分ける際に泥奬がメツシユ綱を通過するの
が非常に困難になることや泥奬中のガスを取り除
くための脱泡工程の際十分にガスが抜け切れなく
なり製膜性が悪くなる。 次に適当な粘度に調整した泥奬をポリエステル
系有機フイルム上にキヤステイング製膜法により
10μm〜200μm程度の均一な厚みになるようにシ
ートを形成する。この薄いグリーンシートを有機
フイルムから剥離し、第１図ａ，ｂに示すように
各層間を電気的に接続するためのスルーホール１
を形成する。ここで第１図ａは平面図、第１図ｂ
は断面図である。スルーホールの形成は、機械的
方法でポンチおよびダイを用いて行なつたが他に
レーザー加工等の方法によつても開けることが可
能である。機械的方法により形成したスルーホー
ル径は最小で70μm程度が可能であつた。 スルーホールの形成されたグリーンシート上
へ、第２図ａ，ｂに示すように導体ペーストをス
クリーン印刷法により所定の位置に所定の導体パ
ターン２を厚膜印刷する。ここで用いる導体とし
ては、セラミツク基板を1500℃以上の高温で焼結
しなければならないため、高融点金属を用いる必
要がある。 本発明においては、焼結後窒化チタンを形成す
る導体材料として窒化チタン粉末を用いた導体ペ
ーストを利用した。窒化チタンは立方晶系の結晶
構造をとり電気抵抗は22×10^-6Ω・cmという低い
値を示す。したがつて導体ペーストとして厚膜形
成した場合においても、窒化チタンの本来の電気
抵抗値を示さないまでも、配線導体として十分に
低い抵抗値を示した。この印刷工程においては、
層間の電気接続を行なうためのスルーホール内に
同様の導体ペーストを埋め込む工程を含んでい
る。 こうして導体を印刷および埋め込んだ各パター
ンのグリーンシートを第３図に示すように所望の
枚数積層し、熱圧着を行なつた。第３図には導体
パターン２を形成した絶縁体グリーンシート３が
多数枚重なつている構造をもつ生積層体の断面図
を示す。グリーンシートの積層数は、10〜50層で
構成されている。熱圧着条件は、温度70℃〜110
℃の圧力は200〜300Kg／cm²であつた。該工程は、
配線パターンおよびスルーホールが微細に形成さ
れている各グリーンシートを位置ずれなく高精度
に積層しなければならない。 次に積層され一体化した生基板を窒素雰囲気で
脱バインダーを行ないさらに高温で焼結する。第
４図には、脱バインダーおよび焼成の温度プロフ
アイルの一例を示す。脱バインダー工程が終了す
るまでは昇温スピードを遅くし400〜500℃の範囲
で一定時間保持する。この脱バインダー工程にお
いて有機物の除去を適度にコントロールした。な
ぜならば、残留物が窒化アルミニウム焼結体の焼
結性および特性に大きく影響をおよぼすためであ
る。ひきつづき1500℃〜2000℃まで温度を上げ、
最高温度で２時間保持して焼結を行なつた。第４
図には脱バインダーの保持温度が500℃、焼結温
度が1800℃の場合の例を示した。この一連の工程
中の雰囲気は窒化ガスを用いてコントロールし
た。また焼結は常圧の状態で行なつた。脱バイン
ダーでの昇温スピードをあまり速くしすぎると、
急激な有機物の分解蒸散が起ることによりクラツ
クや層間剥離等の不良が発生する原因になる。 このようにして作成した窒化アルミニウムを主
成分とした高熱伝導多層セラミツク基板の模式的
な斜視断面図を第５図に示す。１１は絶縁セラミ
ツク層であり、主成分として窒化アルミニウムの
多結晶体で構成されている。１２は信号線および
電源等の導体層であり、窒化チタン導体ペースト
を用いており焼成後窒化チタン多結晶体を形成し
ており、絶縁セラミツク層に形成されているスル
ーホール１３を介して各層間を電気的に接続して
いる。このように構成されている多層セラミツク
基板上にはLSIチツプがマウント出来るようにダ
イパツド１４およびボンデイングパツド１５が形
成され、該実装基板外に信号を取り出したり基板
内へ信号を入れたりするためのＩ／Ｏパツド１６
が基板裏面に形成されている。基板上にマウント
されているLSIチツプから発生する熱をダイパツ
ド１４を介してセラミツク基板内へ拡散させる。 この焼結基板の電気的特性を測定した結果、比
抵抗は10¹¹Ω・cm以上あり、誘電率は8.7（1M
Hz）、誘電損失は10^-3以下（1MHz）と小さな値で
あつた。電気的特性においては、従来の基板と比
較して同程度であり実装基板として十分な特性で
あることがわかつた。 第１表には、本発明の製造方法により作成した
多層セラミツク基板の一実施例の基板性状および
諸特性を示す。

【表】 本実施例は焼結添加剤としてCaC₂を用い窒化
アルミニウム重量を100としたときの添加量とし
て表に示してある。表からわかるように微細な配
線パターンおよびスルーホールを形成されてお
り、抗折強度も極めて高く、熱伝導率も非常に高
い基板が得られた。さらに熱膨張係数においても
シリコンに近い値であり、LSI等の実装に極めて
都合がよい。 一方焼結添加剤としてCaC₂以外のSr，Ba，
Na，Ｋ，Rb，Cs，Cu，Ag，Mg，Cd，Hg，
Zn，Al，Ceのアセチリド化合物およびCaを含め
たこれらの酸化物を添加した窒化アルミニウムの
実装多層セラミツク基板を作成した。焼成温度と
しては1500℃〜2000℃の範囲で同様の製造方法で
行なつた。その結果、作成基板の熱伝導率は、添
加量が0.5wt％〜2.0wt％までは100W／mk以上を
実現することが出来、さらに0.3wt％〜8.0wt％ま
でが80W／mk以上の値が得られ、アルミナ基板
に比較して熱放散性にすぐれていた。 （発明の効果） 実施例からも明らかなように、本発明の製造方
法を採用することにより容易に高密度な回路を形
成することが出来、セラミツク基板の熱伝導率が
高いことにより熱放散性に対しても非常に有効な
高熱伝導多層セラミツク配線基板が得られる。 従来用いられているアルミナ基板の熱伝導率は
約17W／mk程度であり、本発明方法の基板の熱
伝導率が非常に高いレベルであることがわかる。
また熱膨張係数においては、アルミナ基板が65×
10^-7／℃程度であるのに対して本発明方法による
基板は小さな値をもち、よりシリコンチツプの熱
膨張係数に近い値になつており、この点において
も有利である。 一方、本発明で用いた導体ペーストの窒化チタ
ンにおいては焼結後の導体抵抗が実装基板に対し
て十分な特性を示していた。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は、本発明の実施例による高熱
伝導多層セラミツク基板の各製造工程を示す図、
第４図は実施例の焼成工程における焼成プロフア
イルを示す図、第５図は完成基板の模式的斜視
図。 １……スルーホール、２……導体、３……絶縁
体グリーンシート、１１……絶縁セラミツク層、
１２……導体層、１３……スルーホール、１４…
…ダイパツド、１５……ボンデイングパツド、１
６……Ｉ／Ｏパツド。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ セラミツク層が窒化アルミニウムを主成分と
   する多結晶体であり導体が窒化チタンを主成分と
   して構成されている多層セラミツク基板の製造方
   法において、窒化アルミニウム粉末と焼結添加剤
   とから成る混合粉末と、有機バインダーおよび有
   機溶剤との混合物からなるグリーンシートに窒化
   チタンを主成分とする導体ペーストを用いて導体
   層形成およびスルーホール中の導体埋め込みを行
   なう工程と、導体形成された各グリーンシートを
   積層熱圧着する工程と、非酸化性雰囲気でこれら
   の脱バインダーおよび焼成を行なう工程を備えた
   ことを特徴とする高熱伝導多層セラミツク配線基
   板の製造方法。